(57)【要約】【課題】流路内に送信された超音波を検出する時、超音波を送信することによって発生した電気的なノイズやインパルス的なノイズをキャンセルする。【解決手段】超音波を直接受信しない擬似超音波素子７を設け、流路３内に送信された超音波を流れ方向上手側または下手側に取り付けられた超音波送受信素子２ａまたは２ｂで受信した超音波変換信号ＶＩＮと、擬似超音波素子７からの擬似超音波変換信号ＶＰとの差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとする。【選択図】  図５
2006017568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を通過させる流路内の流体の流れ方向上手側および下手側に取り付けられた一対の超音波送受信素子と、
前記一対の超音波送受信素子の一方を駆動して超音波を送信させる送信回路と、
超音波を直接受信しない擬似超音波素子と、
前記一対の超音波送受信素子の他方で受信した超音波の超音波変換信号と、前記擬似超音波素子で発生した擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号として出力する受信回路と
を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
流体を通過させる流路内の流体の流れ方向上手側および下手側に取り付けられた一対の超音波送受信素子と、
前記一対の超音波送受信素子の一方を送信側、他方を受信側として切り替える順／逆切替手段と、
前記送信側の超音波送受信素子を駆動して超音波を送信させる送信回路と、
超音波を直接受信しない擬似超音波素子と、
前記受信側の超音波送受信素子で受信した超音波の超音波変換信号と、前記擬似超音波素子で発生した擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号として出力する受信回路と
を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
前記擬似超音波素子が、超音波の送信および受信が可能な超音波送受信素子でなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記擬似超音波素子が、超音波送受信素子などの圧電体以外の受動素子で構成され、かつ前記一対の超音波送受信素子と電気的特性を同一にしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記擬似超音波素子が、前記一対の超音波送受信素子と温度特性が同一であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記受信回路が、前記一対の超音波送受信素子の一方からの超音波変換信号を任意の増幅率で増幅する超音波変換信号増幅回路と、前記擬似超音波素子からの擬似超音波変換信号を任意の増幅率で増幅する擬似超音波変換信号増幅回路とを備え、前記超音波変換信号増幅回路の増幅信号および前記擬似超音波変換信号増幅回路の増幅信号の差動出力を超音波受信信号として出力することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項７】
前記送信回路の電源と前記受信回路の電源とを別々にしたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項８】
超音波送受信素子で受信した超音波の超音波変換信号と、超音波を直接受信しない擬似超音波素子で発生した擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号として出力することを特徴とする受信回路。
【請求項９】
前記超音波送受信素子からの超音波変換信号を任意の増幅率で増幅する超音波変換信号増幅回路と、前記擬似超音波素子からの擬似超音波変換信号を任意の増幅率で増幅する擬似超音波変換信号増幅回路とを備え、前記超音波変換信号増幅回路の増幅信号および前記擬似超音波変換信号増幅回路の増幅信号の差動出力を超音波受信信号として出力することを特徴とする請求項８に記載の受信回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計および受信回路に関し、詳しくは超音波を利用して流体の流速や流量を計測する超音波流量計およびその受信回路に関する。具体的には、ガスメータ，水道メータ，ガス流量計等の分野で、流体の流量の管理および制御に使用される超音波流量計およびその受信回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス，ＬＰＧ，水などの流体の流量を計測する流量計として、超音波を利用して流速および流量を計測する超音波流量計が知られている。その際の計測原理として、一般には「伝搬時間差法」が用いられる。これは、流路の流体流れ方向上手側および下手側に一対の超音波送受信素子を設け、超音波の送受信を交互に切り替えて、流れ方向上手側の超音波送受信素子（送信側振動子）から流れ方向下手側の超音波送受信素子（受信側振動子）に到達するまでの時間（順方向伝搬時間）と、流れ方向下手側の超音波送受信素子（送信側振動子）から流れ方向上手側の超音波送受信素子（受信側振動子）に到達するまでの時間（逆方向伝搬時間）とを計測して、両伝搬時間の差から流路を流れる流体の平均流速および平均流速に流路断面積を乗算することで流量を求める方法である。
【０００３】
図８は、従来の超音波流量計で用いられている受信回路の一例を示す回路図である。この受信回路は、オペアンプＵ１を主体とする第１の反転増幅器と、オペアンプＵ２を主体とする第２の反転増幅器とが直列に接続されて構成されている。オペアンプＵ１の反転入力端子は、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１を通じて一端が接地された超音波送受信素子ＵＳＭ１の他端に接続されているとともに、抵抗Ｒ２を通じてオペアンプＵ１の出力端子ＯＵＴに接続されている。超音波送受信素子ＵＳＭ１には、抵抗Ｒ３が並列に接続されている。また、オペアンプＵ１の非反転入力端子は、抵抗Ｒ４を通じて接地されている。オペアンプＵ１の出力端子ＯＵＴは、抵抗Ｒ５を通じてオペアンプＵ２の反転入力端子に接続されており、オペアンプＵ２の反転入力端子は抵抗Ｒ６を通じてオペアンプＵ２の出力端子ＯＵＴに接続されている。オペアンプＵ２の非反転入力端子は、抵抗Ｒ７を通じて接地されている。オペアンプＵ２の出力端子ＯＵＴからは、超音波受信信号ＶＯＵＴが出力される。なお、図８中、符号ＶＤＤは電源電圧、ＶＳＳはマイナス電源電圧を示す。
【０００４】
このような従来の受信回路では、超音波送受信素子ＵＳＭ１で超音波が受信されると、超音波は機械−電気変換されて超音波変換信号ＶＩＮとしてコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１を通じてオペアンプＵ１の非反転入力端子に印加される。オペアンプＵ１は、抵抗Ｒ１，Ｒ２で決まる増幅率で超音波変換信号ＶＩＮを増幅し、増幅信号をさらにオペアンプＵ２が抵抗Ｒ５，Ｒ６で決まる増幅率で増幅して、超音波受信信号ＶＯＵＴとして出力する。
【０００５】
ところで、従来の超音波流量計では、電池駆動の超音波流量計を可能にするために、消費電流の大きい増幅・比較回路からなる受信回路の電源を、超音波受信信号を検出する直前にオンし、超音波受信信号を検出したならばオフするようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、従来の他の超音波流量計では、電池消費を抑止するために、超音波送受信素子を駆動後、受信回路の電源をオンし、超音波受信信号が検出できても、できなくても、一定時間後にオフするようにしていた（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第０２８２８６１５号公報
【特許文献２】特開２００２−１４８０８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の超音波流量計では、図８に示すような受信回路を使用した場合、図９に示すように、超音波受信信号ＶＯＵＴとして、受信側の超音波送受信素子ＵＳＭ１からの超音波変換信号ＶＩＮの他に、送信側の超音波送受信素子（図示せず）の駆動直後に発生する電気的なノイズおよびインパルス的なノイズ（以下、駆動直後ノイズと総称する）が検出されるという問題点があった。
【０００８】
受信側の超音波送受信素子ＵＳＭ１からの超音波変換信号ＶＩＮに重畳される駆動直後ノイズのノイズ源は、送信回路を通して送信側の超音波送受信素子に流れ込む電流であり、このような負荷がかかることにより送信回路の電源電圧が変動し、その影響が受信回路の電源にも回り込んでいた。超音波流量計では、伝搬する超音波が距離や流体により減衰するので、受信回路の増幅率は６０ｄＢ以上確保する必要があり、受信回路の増幅率が大きいために、その電源電圧の変動が超音波受信信号ＶＯＵＴにダイレクトに表れていた。
【０００９】
ここで、送信側の超音波送受信素子を駆動して、流路内に超音波が送信されてから、流路内に送信された超音波を受信側の超音波送受信素子ＵＳＭ１で受信するまでの状況をさらに詳しく説明する。
【００１０】
送信側の超音波送受信素子に駆動パルスが印加されると、それに応じて送信側の超音波送受信素子は振動を開始し、流路内に超音波が送信される。この時、超音波の送信により、送信側の超音波送受信素子に電流が流れるが、この電流値は、非動作時より大きな電流値となる。この超音波放射時の消費電流により、一時的に、回路全体の電源電圧が降下すると、送信回路ばかりでなく受信回路の電源電圧も降下する。受信回路の電圧降下の影響により、受信回路は超音波を受信していないにも拘わらず、あたかも超音波を受信したかような駆動直後ノイズを出力する。
【００１１】
流路内に送信された超音波が受信側の超音波送受信素子ＵＳＭ１で受信されて変換された超音波変換信号ＶＩＮと、送信側の超音波送受信素子を駆動して超音波を送信したことによって発生した駆動直後ノイズとを比較して、駆動直後ノイズが十分に小さくなって、十二分に減衰すれば、流量計測時に特に問題はない。しかし、例えば、超音波流量計において、流量１Ｌ／ｈを計測するような高精度な計測が要求される場合、超音波変換信号ＶＩＮと駆動直後ノイズとのＳ／Ｎ比を十分に確保して、駆動直後ノイズに対して影響を受けない受信回路にすることが望ましい。
【００１２】
このような駆動直後ノイズの対策として、従来は、電源に大きな容量のコンデンサを追加して電源電圧の変動を抑制する方法があった。しかし、この方法は、電源電圧の変動を抑制することは可能であるが、そのレベルは、数ｍＶの安定性を確保するものではなく、わずかながら電源電圧が変動するので、受信回路はやはり影響を受けるという問題点があった。
【００１３】
また、駆動直後ノイズを受信しないために、超音波が受信されない区間は受信回路の電源をオフにしておくようにマスク時間を設ける方法があった。しかし、この方法は、単に受信時において駆動直後ノイズを誤検出しないようにしているだけであって、駆動直後ノイズをキャンセルしているわけではないという問題点があった。また、この時、発生した駆動直後ノイズは、しばらくの間、あたかも受信側の超音波送受信素子が振動して、その後の残響成分で振動しているかのような出力を示すという問題点があった。
【００１４】
なお、先に挙げた特許文献１および特許文献２に記載された従来の技術においても、超音波が受信されない区間は受信回路の電源をオフにしておくようにしていたが、その目的は、省電力動作のために受信回路の電源をオフしておくようにしているだけであって、本発明の目的である駆動直後ノイズなどをキャンセルする、あるいは低減するという目的とは異なるものである。
【００１５】
本発明の課題は、流路内に送信された超音波を検出する時、超音波を送信することによって発生した駆動直後ノイズ（電気的なノイズやインパルス的なノイズ）をキャンセルできるようにした超音波流量計を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の他の課題は、超音波を送信することによって発生した駆動直後ノイズ（電気的なノイズやインパルス的なノイズ）をキャンセルできるようにした受信回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の超音波流量計は、流体を通過させる流路内の流体の流れ方向上手側および下手側に取り付けられた一対の超音波送受信素子と、前記一対の超音波送受信素子の一方を駆動して超音波を送信させる送信回路と、超音波を直接受信しない擬似超音波素子と、前記一対の超音波送受信素子の他方で受信した超音波の超音波変換信号と、前記擬似超音波素子で発生した擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号として出力する受信回路とを有する構成である。請求項１記載の超音波流量計によれば、受信側の超音波送受信素子からの超音波変換信号と、擬似的に設けられた擬似超音波素子からの擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号とするため、超音波流量計の回路系上に重畳される駆動直後ノイズをキャンセルすることが可能となり、耐ノイズ性が向上し、低ノイズで高精度な流量計測が実現できる。
【００１８】
請求項２記載の超音波流量計は、流体を通過させる流路内の流体の流れ方向上手側および下手側に取り付けられた一対の超音波送受信素子と、前記一対の超音波送受信素子の一方を送信側、他方を受信側として切り替える順／逆切替手段と、前記送信側の超音波送受信素子を駆動して超音波を送信させる送信回路と、超音波を直接受信しない擬似超音波素子と、前記受信側の超音波送受信素子で受信した超音波の超音波変換信号と、前記擬似超音波素子で発生した擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号として出力する受信回路とを有することを特徴とする。請求項２記載の超音波流量計によれば、順／逆切替手段を設けたことにより、流れ方向上手側および下手側に取り付けられた一対の超音波送受信素子に対して、１つの擬似超音波素子を備えるだけですむようになるので、超音波流量計の構成部品がシンプルになって安価に製造でき、かつ、高精度な流量計測を行なうことができる。
【００１９】
請求項３記載の超音波流量計は、請求項１または請求項２に記載の超音波流量計において、前記擬似超音波素子が、超音波の送信および受信が可能な超音波送受信素子でなることを特徴とする。請求項３記載の超音波流量計によれば、擬似超音波素子が、流路内の超音波を送信および受信可能な超音波送受信素子と同じ特性となるため、超音波送受信素子が持つ電気的特性と一致させる必要がなくなり、送信側の超音波送受信素子が持つ固有の特性によって生じる駆動直後ノイズを簡単にキャンセルすることができる。
【００２０】
請求項４記載の超音波流量計は、請求項１または請求項２記載の超音波流量計において、前記擬似超音波素子が、超音波送受信素子などの圧電体以外の受動素子で構成され、かつ前記一対の超音波送受信素子と電気的特性を同一にしたことを特徴とする。請求項４記載の超音波流量計によれば、擬似超音波素子を、一対の超音波送受信素子に対して電気的特性を同一にし、超音波送受信素子などの圧電素子以外の受動素子のみで構成するようにしたので、超音波流量計を安価に製造できるという利点がある。
【００２１】
請求項５記載の超音波流量計は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超音波流量計において、前記擬似超音波素子が、前記一対の超音波送受信素子と温度特性が同一であることを特徴とする。請求項５記載の超音波流量計によれば、擬似超音波素子の温度特性を一対の超音波送受信素子の温度特性と同一にすることにより、環境温度変化に対する影響もなくなり、高精度な流量計測が可能となる。
【００２２】
請求項６記載の超音波流量計は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超音波流量計において、前記受信回路が、前記一対の超音波送受信素子の一方からの超音波変換信号を任意の増幅率で増幅する超音波変換信号増幅回路と、前記擬似超音波素子からの擬似超音波変換信号を任意の増幅率で増幅する擬似超音波変換信号増幅回路とを備え、前記超音波変換信号増幅回路の増幅信号および前記擬似超音波変換信号増幅回路の増幅信号の差動出力を超音波受信信号として出力することを特徴とする。請求項６記載の超音波流量計によれば、超音波変換信号増幅回路が受信側の超音波送受信素子からの超音波変換信号を任意の増幅率で増幅し、擬似超音波変換信号増幅回路が擬似超音波素子からの擬似超音波変換信号を任意の増幅率で増幅して、超音波変換信号の増幅信号と擬似超音波変換信号の増幅信号との差動出力を超音波受信信号とするので、超音波変換信号増幅回路および擬似超音波変換信号増幅回路がバッファの役割をするために超音波変換信号および擬似超音波変換信号が安定したものとなり、超音波受信信号が駆動直後ノイズに対して影響を受けにくくなるために高精度の流量計測が可能となる。
【００２３】
請求項７記載の超音波流量計は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の超音波流量計において、前記送信回路の電源と前記受信回路の電源とを別々にしたことを特徴とする。請求項７記載の超音波流量計によれば、送信回路の電源と受信回路の電源とを別々にすることにより、受信回路の電源が、超音波送受信素子を駆動することによって送信回路の電源に発生する電源電圧降下などの影響を受けにくくなるため、より高精度な流量計測が可能となる。
【００２４】
請求項８記載の受信回路は、超音波送受信素子で受信した超音波の超音波変換信号と、超音波を直接受信しない擬似超音波素子で発生した擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号として出力することを特徴とする。請求項８記載の受信回路によれば、超音波送受信素子からの超音波変換信号と擬似超音波素子からの擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号とすることにより、超音波変換信号に含まれる駆動直後ノイズと、擬似超音波変換信号に含まれる駆動直後ノイズとがキャンセルされて、超音波受信信号に駆動直後ノイズが出力されなくなる。
【００２５】
請求項９記載の受信回路は、請求項８に記載の受信回路において、前記超音波送受信素子からの超音波変換信号を任意の増幅率で増幅する超音波変換信号増幅回路と、前記擬似超音波素子からの擬似超音波変換信号を任意の増幅率で増幅する擬似超音波変換信号増幅回路とを備え、前記超音波変換信号増幅回路の増幅信号および前記擬似超音波変換信号増幅回路の増幅信号の差動出力を超音波受信信号として出力することを特徴とする。請求項９記載の受信回路によれば、超音波変換信号増幅回路が受信側の超音波送受信素子からの超音波変換信号を任意の増幅率で増幅し、擬似超音波変換信号増幅回路が擬似超音波素子からの擬似超音波変換信号を任意の増幅率で増幅して、超音波変換信号の増幅信号と擬似超音波変換信号の増幅信号との差動出力を超音波受信信号とするので、超音波変換信号増幅回路および擬似超音波変換信号増幅回路がバッファの役割をするために超音波変換信号および擬似超音波変換信号が安定したものとなり、超音波受信信号が駆動直後ノイズに対して影響を受けにくくなるために高精度の流量計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
超音波を直接受信しない擬似超音波素子を擬似的に設け、流路内に送信された超音波を流れ方向上手側または下手側に取り付けられた超音波送受信素子で変換された超音波変換信号と、擬似超音波素子で発生した擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号とすることにより、流路内に送信された超音波を検出する時、超音波を送信することにより発生した駆動直後ノイズ（電気的なノイズやインパルス的なノイズ）をキャンセルした。
【００２７】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は、本発明の実施例１に係る受信回路を示す回路図である。本実施例１に係る受信回路は、オペアンプＵ１を主体とする差動増幅器１１と、オペアンプＵ２を主体とする反転増幅器１２とが直列に接続されて構成されている。オペアンプＵ１の反転入力端子は、抵抗Ｒ１およびコンデンサＣ１を通じて一端が接地された超音波送受信素子ＵＳＭ１の他端に接続されているとともに、抵抗Ｒ２を通じてオペアンプＵ１の出力端子ＯＵＴに接続されている。超音波送受信素子ＵＳＭ１には、抵抗Ｒ５が並列に接続されている。また、オペアンプＵ１の非反転入力端子は、抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ２を通じて一端が接地された擬似超音波素子ＵＳＭＸの他端に接続されているとともに、抵抗Ｒ４を通じて接地されている。擬似超音波素子ＵＳＭＸには、抵抗Ｒ６が並列に接続されている。オペアンプＵ１の出力端子ＯＵＴは、抵抗Ｒ７を通じてオペアンプＵ２の反転入力端子に接続されており、オペアンプＵ２の反転入力端子は抵抗Ｒ８を通じてオペアンプＵ２の出力端子ＯＵＴに接続されている。オペアンプＵ２の非反転入力端子は、抵抗Ｒ９を通じて接地されている。オペアンプＵ２の出力端子ＯＵＴからは、超音波受信信号ＶＯＵＴが出力される。なお、図１中、符号ＶＤＤは電源電圧、ＶＳＳはマイナス電源電圧を示す。
【００２９】
擬似超音波素子ＵＳＭＸは、超音波を直接受信しない素子ではあるが、超音波送受信素子ＵＳＭ１と電気的特性が同一であることが望ましい。このため、擬似超音波素子ＵＳＭＸは、超音波の送信および受信が可能な超音波送受信素子で形成することができる。このようにすれば、擬似超音波素子ＵＳＭＸは、超音波送受信素子ＵＳＭ１とほぼ同じ素子特性を持ち、超音波送受信素子ＵＳＭ１からの超音波変換信号ＶＩＮと擬似超音波素子ＵＳＭＸからの擬似超音波変換信号ＶＰとの差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとすることにより、超音波送受信素子ＵＳＭ１の特性と擬似超音波素子ＵＳＭＸの特性とが相殺されることになる。このため、超音波送受信素子ＵＳＭ１と擬似超音波素子ＵＳＭＸとの電気的特性，温度特性等を合わせる手間を省くことができる。
【００３０】
また、擬似超音波素子ＵＳＭＸは、図２に示すように、超音波送受信素子などの圧電体以外の受動素子で形成するようにしてもよい。すなわち、擬似超音波素子ＵＳＭＸを、抵抗ＲａとコンデンサＣａ，Ｃｂ，コイルＬａの直列回路との並列回路などの受動素子からなる等化回路により構成し、超音波送受信素子ＵＳＭ１の電気的特性と同一の電気的特性を有するように形成することができる。なお、電気的特性とは、インピーダンス，静電容量などである。このように構成すれば、超音波送受信素子ＵＳＭ１からの超音波変換信号ＶＩＮと擬似超音波素子ＵＳＭＸからの擬似超音波変換信号ＶＰとの差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとすることにより、擬似超音波素子ＵＳＭＸと超音波送受信素子ＵＳＭ１との静特性や動特性の依存性がキャンセルされることになる。
【００３１】
さらに、擬似超音波素子ＵＳＭＸは、超音波送受信素子ＵＳＭ１と温度特性が同一であることが望ましい。すなわち、擬似超音波素子ＵＳＭＸは、図２に示すように、抵抗ＲａとコンデンサＣａ，Ｃｂ，コイルＬａの直列回路との並列回路などの受動素子からなる等化回路により構成した上で、その温度特性をさらに超音波送受信素子ＵＳＭ１の温度特性と一致させる。このようにすれば、超音波送受信素子ＵＳＭ１からの超音波変換信号ＶＩＮと擬似超音波素子ＵＳＭＸからの擬似超音波変換信号ＶＰとの差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとすることにより、超音波送受信素子ＵＳＭ１の温度依存性がキャンセルされることになる。
【００３２】
このように構成された実施例１に係る受信回路では、超音波送受信素子ＵＳＭ１で超音波が受信されると、超音波は機械−電気変換されて超音波変換信号ＶＩＮとしてコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１を通じてオペアンプＵ１の非反転入力端子に印加される。また、擬似超音波素子ＵＳＭＸに駆動直後ノイズが発生すると、駆動直後ノイズは擬似超音波変換信号ＶＰとしてコンデンサＣ２および抵抗Ｒ３を通じてオペアンプＵ１の非反転入力端子に印加される。オペアンプＵ１は、非反転入力端子に印加され超音波変換信号ＶＩＮと、反転入力端子に印加された擬似超音波変換信号ＶＰとを入力し、抵抗Ｒ１，Ｒ２で決まる増幅率で増幅して増幅信号を出力し、増幅信号をさらにオペアンプＵ２が抵抗Ｒ７，Ｒ８で決まる増幅率で増幅して、超音波受信信号ＶＯＵＴとして出力する。
【００３３】
実施例１に係る受信回路では、超音波送受信素子ＵＳＭ１からの超音波変換信号ＶＩＮと擬似超音波素子ＵＳＭＸからの擬似超音波変換信号ＶＰとの差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとすることにより、図３に示すように、超音波変換信号ＶＩＮに含まれる駆動直後ノイズと、擬似超音波変換信号ＶＰに含まれる駆動直後ノイズとがキャンセルされて、超音波受信信号ＶＯＵＴに駆動直後ノイズが出力されなくなる、あるいは駆動直後ノイズが抑制されるという効果が得られる。
【実施例２】
【００３４】
図４は、本発明の実施例２に係る受信回路の構成を示す回路図である。本実施例２に係る受信回路は、図１に示した実施例１に係る受信回路に対して、超音波送受信素子ＵＳＭ１での機械−電気変換出力を増幅する超音波変換信号増幅回路１３と、擬似超音波素子ＵＳＭＸの出力のみを増幅する擬似超音波変換信号増幅回路１４とを設け、両回路の増幅信号の差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとするようにしたものである。
【００３５】
このように構成された実施例２に係る受信回路では、超音波変換信号増幅回路１３により超音波送受信素子ＵＳＭ１の出力を増幅して超音波変換信号ＶＩＮとするとともに、擬似超音波変換信号増幅回路１４により擬似超音波素子ＵＳＭＸの出力を増幅して擬似超音波変換信号ＶＰとして、それらの差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとするようにしたので、十分に大きな値の超音波受信信号ＶＯＵＴが得られる。
【実施例３】
【００３６】
図５は、本発明の実施例３に係る超音波流量計１の構成を示す回路ブロック図である。本実施例３に係る超音波流量計１は、一般住宅用ガスメータ等として用いられるものを一例としており、一対の超音波送受信素子２ａ，２ｂと、流量測定用の流路３と、順／逆切替手段４と、送信回路５と、受信回路６と、擬似超音波素子７と、ゼロクロスポイント検出手段８と、時間計測手段９とから、その主要部が構成されている。
【００３７】
一対の超音波送受信素子２ａ，２ｂは、超音波の送信および受信が可能な超音波送受信素子で形成されている。
【００３８】
流路３には、ガス等の計測流体が流れ方向である左から右に流通（平均流速Ｖ）している。流路３の壁側には、流れ方向上手側に超音波送受信素子２aが取り付けられ、流れ方向下手側に超音波送受信素子２bが取り付けられている。なお、超音波送受信素子２ａと超音波送受信素子２ｂとの取り付け角（流路３の軸心線と超音波送受信素子２aおよび２bの振動面に対する垂直線とのなす角をいう）をθとする。
【００３９】
流路３は、少なくとも超音波送受信素子２ａ−超音波送受信素子２ｂ間において、流れ方向に沿って軸断面の形状および断面積が同一に形成されている。計測流体がガスの場合、流路３の軸断面形状は壁面により閉鎖された空間を形成するものであればよく、例えば、円形状，楕円形状，正方形形状，矩形状などのいずれを採用してもよい。
【００４０】
順／逆切替手段４は、例えば、流路３内の流れ方向が左から右であるとして、流れに沿う方向（順方向）に超音波を送信するときには、流れ方向上手側の超音波送受信素子２ａを送信側とするために、送信回路５と超音波送受信素子２ａとを接続するとともに、流れ方向下手側の超音波送受信素子２ｂを受信側にするために、受信回路６と超音波送受信素子２ｂとを接続する。一方、流れに逆らう方向（逆方向）に超音波を送信するときには、流れ方向下手側の超音波送受信素子２ｂを送信側とするために、送信回路５と超音波送受信素子２ｂとを接続するとともに、流れ方向上手側の超音波送受信素子２ａを受信側にするために、受信回路６と超音波送受信素子２ａとを接続する。
【００４１】
送信回路５は、超音波の駆動パルスを送信側の超音波送受信素子２ａまたは２ｂに印加することにより、超音波を流路３内に送信（放射）させる。
【００４２】
受信回路６は、差動増幅器１１と、増幅回路１２と、順／逆切替スイッチ１５とを含んで構成されている。
【００４３】
図６は、実施例３に係る超音波流量計１における受信回路６をより詳細に示す回路図である。本実施例３に係る受信回路６は、オペアンプＵ１を主体とする差動増幅器１１と、オペアンプＵ２を主体とする反転増幅器（増幅回路）１２と、超音波送受信素子２ａ，２ｂの出力を選択的に差動増幅器１１に接続する順／逆切替スイッチ１５とを含んで構成されている。オペアンプＵ１の反転入力端子は、抵抗Ｒ１，コンデンサＣ１および順／逆切替スイッチ１５を通じて一端を接地された超音波送受信素子２ａ，２ｂに接続されているとともに、抵抗Ｒ２を通じてオペアンプＵ１の出力端子ＯＵＴに接続されている。超音波送受信素子２ａ，２ｂには、順／逆切替スイッチ１５を介して、一端が接地された抵抗Ｒ５が並列に接続されている。また、オペアンプＵ１の非反転入力端子は、抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ２を通じて一端を接地された擬似超音波素子７に接続されているとともに抵抗Ｒ４を通じて接地されている。擬似超音波素子７には、抵抗Ｒ６が並列に接続されている。オペアンプＵ１の出力端子ＯＵＴは、抵抗Ｒ７を通じてオペアンプＵ２の非反転入力端子に接続されており、オペアンプＵ２の反転入力端子は抵抗Ｒ８を通じてオペアンプＵ２の出力端子ＯＵＴに接続されている。オペアンプＵ２の非反転入力端子は、抵抗Ｒ９を通じて接地されている。オペアンプＵ２の出力端子ＯＵＴからは、差動出力である超音波受信信号ＶＯＵＴが出力される。なお、図６中、符号ＶＤＤは電源電圧、ＶＳＳはマイナス電源電圧を示す。
【００４４】
図５に戻って、増幅回路１２は、超音波受信信号ＶＯＵＴをゼロクロスポイント検出手段８に出力する。
【００４５】
ゼロクロスポイント検出手段８は、増幅回路１２からの超音波受信信号ＶＯＵＴを入力し、例えば、受信した超音波の第３波のゼロクロスポイントを検出し、ゼロクロスポイント検出信号を時間計測手段９に出力する。
【００４６】
時間計測手段９は、送信回路５から送信開始信号を入力して超音波伝搬時間の計測を開始し、ゼロクロスポイント検出手段８からゼロクロスポイント検出信号を入力して超音波の伝搬時間の計測を終了する。以下、流れ方向上手側の超音波送受信素子２aより流路３内に超音波が送信されてから、流れ方向下手側の超音波送受信素子２ｂで超音波を受信するまでの時間を順方向伝搬時間Ｔｕｄとする。また、流れ方向下手側の超音波送受信素子２ｂより流路３内に超音波が送信されてから、流れ方向上手側の超音波送受信素子２ａで超音波を受信するまでの時間を逆方向伝搬時間Ｔｄｕとする。
【００４７】
次に、このように構成された実施例３に係る超音波流量計１の動作について説明する。
【００４８】
まず、順／逆切替手段４は、送受切替信号を送信回路５および受信回路６に出力する。いま、流れ方向上手側の超音波送受信素子２aを送信側とし、流れ方向下手側の超音波送受信素子２bを受信側とする送受切替信号が出力されたものとする。
【００４９】
送信回路５は、送受切替信号を受信すると、所定数の駆動パルスを送信側の超音波送受信素子２ａに印加する。すると、送信側の超音波送受信素子２ａは、駆動パルスによって駆動され、駆動パルス数の超音波を流路３内に送信する。これと同時に、送信回路５は、送信開始信号を時間計測手段９に出力する。
【００５０】
時間計測手段９は、送信回路５からの送信開始信号を受けることにより、超音波の伝搬時間（順方向伝搬時間）Ｔｕｄの計測を開始する。
【００５１】
送信側の超音波送受信素子２ａから送信された超音波は、流路３の内壁で一旦反射された後に、受信側の超音波送受信素子２ｂに到達する。
【００５２】
受信側の超音波送受信素子２ｂは、受信した超音波を機械−電気変換し、超音波変換信号ＶＩＮを受信回路６に入力する。
【００５３】
受信回路６では、超音波送受信素子２ｂからの超音波変換信号ＶＩＮが順／逆切替スイッチ１５を介して差動増幅器１１の反転入力端子に入力され、擬似超音波素子７からの擬似超音波変換信号ＶＰが差動増幅器１１の非反転入力端子に入力されて、差動増幅器１１の出力端子に差動出力が出力される。このとき、超音波変換信号ＶＩＮには駆動直後ノイズおよび超音波変換信号ＶＩＮが含まれ、擬似超音波変換信号ＶＰには駆動直後ノイズのみが含まれるので、駆動直後ノイズがキャンセルされ、超音波変換信号ＶＩＮのみが出力されることになる。次に、増幅回路１２は、差動増幅器１１からの差動出力を入力すると、任意の増幅率で増幅し、超音波受信信号ＶＯＵＴをゼロクロスポイント検出手段８に出力する。
【００５４】
続いて、ゼロクロスポイント検出手段８は、増幅回路１２からの超音波受信信号ＶＯＵＴを入力すると、例えば、先に受信した超音波の第３波のゼロクロスポイントを検出し、ゼロクロスポイント検出信号を時間計測手段９に出力する。
【００５５】
次に、時間計測手段９は、ゼロクロスポイント検出手段８からゼロクロスポイント検出信号を入力すると、送信側の超音波送受信素子２aより流路３内に超音波が送信されてから、受信側の超音波送受信素子２ｂで超音波を受信するまでの順方向伝搬時間Ｔｕｄの計測を終了する。
【００５６】
流体の流れに逆らう逆方向伝搬時間Ｔｄｕの計測は、流体の流れに沿う順方向伝搬時間Ｔｕｄの計測とは逆の動作をさせればよい。このとき、順／逆切替手段４は、流れ方向下手側の超音波送受信素子２ｂを送信側とし、流れ方向上手側の超音波送受信素子２aを受信側とする送受切替信号を送信回路５および受信回路６に出力する。流れ方向下手側の超音波送受信素子２ｂから超音波を送信し、流れ方向上手側の超音波送受信素子２ａで超音波を検出するまでの逆方向伝搬時間Ｔｄｕを計測する。
【００５７】
詳しくは、送信回路５は、所定数の駆動パルスを送信側の超音波送受信素子２ｂに印加する。すると、送信側の超音波送受信素子２ｂは、駆動パルスによって駆動され、駆動パルス数の超音波を流路３内に送信する。
【００５８】
流路３内には、流体の平均流速Ｖが発生しているとすると、送信側の超音波送受信素子２ｂから送信された超音波を受信側の超音波送受信素子２ａで受信する間での時間を、逆方向伝搬時間Ｔｄｕとする。
【００５９】
順方向伝搬時間Ｔｕｄおよび逆方向伝搬時間Ｔｄｕが求められると、超音波流量計１は、流路３の断面積をＳ、超音波送受信素子距離間をＬ、超音波送受信素子２ａと超音波送受信素子２ｂとの取り付け角をθとすると、流速ｖ（ｍ／ｓ）を、数１で求める。
【００６０】
【数１】
2006017568.tif 000003
【００６１】
また、超音波流量計１は、流量Ｑ（ｍ３／ｈ）を、数２で求める。
【００６２】
【数２】
2006017568.tif 000004
【００６３】
本実施例３に係る超音波流量計１によれば、超音波送受信素子２ａまたは超音波送受信素子２ｂからの超音波変換信号ＶＩＮと擬似超音波素子７からの擬似超音波変換信号との差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとすることにより、回路上に発生する駆動直後ノイズが常にキャンセルされ、図３に示したような安定した超音波受信信号ＶＯＵＴが得られる。この結果、駆動直後ノイズ、およびそれ以降のノイズや残響成分が著しく低減される。
【００６４】
また、順／逆切替手段４により流れ方向上手側の超音波送受信素子２ａを受信側とした場合でも、流れ方向下手側の超音波送受信素子２ｂを受信側とした場合でも、受信回路６内では、擬似超音波素子７からの擬似超音波変換信号ＶＰを入力とするようにしたので、超音波送受信素子２ａおよび超音波送受信素子２ｂのそれぞれに対して擬似超音波素子７を設けなくても、１つの擬似超音波素子７で高精度な流量計測が実現可能となる。
【００６５】
なお、送信回路５と受信回路６との電源を別々にするとよい。そうすることで、超音波の送信時の送信回路５の電源電圧変動が受信回路６に影響を与えにくくなるので、低ノイズの受信回路６となり、その出力である超音波受信信号ＶＯＵＴがより安定したものとなる。
【実施例４】
【００６６】
図７は、本発明の実施例４に係る受信回路の構成を示す回路図である。本実施例４に係る受信回路は、図６に示した実施例３に係る受信回路６に対して、超音波送受信素子２ａまたは超音波送受信素子２ｂでの機械−電気変換出力を増幅する超音波変換信号増幅回路１３と、擬似超音波素子７の出力のみを増幅する擬似超音波変換信号増幅回路１４とを設け、両回路の増幅信号の差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとするようにしたものである。
【００６７】
このように構成された実施例４に係る受信回路では、超音波変換信号増幅回路１３により超音波送受信素子２ａまたは超音波送受信素子２ｂの出力を増幅して超音波変換信号ＶＩＮとするとともに、擬似超音波変換信号増幅回路１４により擬似超音波素子７の出力を増幅して擬似超音波変換信号ＶＰとして、それらの差動出力を超音波受信信号ＶＯＵＴとするようにしたので、十分に大きな値の超音波受信信号ＶＯＵＴが得られる。
【００６８】
なお、本実施例４に係る受信回路においても、図６に示した実施例３に係る受信回路６と同様に、送信回路５の電源と、超音波変換信号増幅回路１３，擬似超音波変換信号増幅回路１４などを含む受信回路６の電源とを別々にするとよい。そうすることで、送信時の送信回路５の電源電圧変動が受信回路６に影響を与えなくなるので、低ノイズの受信回路となり、その出力である超音波受信信号ＶＯＵＴが安定したものとなる。
【００６９】
ところで、図５に示した実施例３に係る超音波流量計１として、超音波送受信素子２ａと超音波送受信素子２ｂとを流路３の内壁を挟んで対向するように配置した例（一対の超音波送受信素子２ａ，２ｂをＶ字型に配置した例）を示したが、本発明の適用がこのような配置の超音波流量計１に限定されるわけでない。例えば、一対の超音波送受信素子を直接対向するように配置した超音波流量計においても、本発明が同様に適用できることはいうまでもない。
【００７０】
以上、本発明の実施例を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施例１に係る受信回路を示す回路図。
【図２】図１中の擬似超音波素子の変形例を示す回路図。
【図３】図１中の超音波受信信号の波形図。
【図４】本発明の実施例２に係る受信回路を示す回路図。
【図５】本発明の実施例３に係る超音波流量計の構成を示すブロック図。
【図６】図５中の受信回路の回路図。
【図７】本発明の実施例４に係る受信回路を示す回路図。
【図８】従来の受信回路を示す回路図。
【図９】従来の受信回路における超音波受信信号の波形図。
【符号の説明】
【００７２】
１  超音波流量計
２ａ，２ｂ  超音波送受信素子
３  流路
４  順／逆切替手段
５  送信回路
６  受信回路
７  擬似超音波素子
８  ゼロクロスポイント検出手段
９  時間計測手段
１１  差動増幅器
１２  増幅回路（反転増幅器）
１３  超音波変換信号増幅回路
１４  擬似超音波変換信号増幅回路
１５  順／逆切替スイッチ
ＵＳＭ１，ＵＳＭ２  超音波送受信素子
ＵＳＭＸ  擬似超音波素子
【図１】
2006017568.tif 000005
【図２】
2006017568.tif 000006
【図３】
2006017568.tif 000007
【図４】
2006017568.tif 000008
【図５】
2006017568.tif 000009
【図６】
2006017568.tif 000010
【図７】
2006017568.tif 000011
【図８】
2006017568.tif 000012
【図９】
2006017568.tif 000013